Ο μεταβολισμός της τροφής. Μέρος Δεύτερο: Αμινοξέα, γλυκόζη, λιπαρά οξέα . Από το αίμα στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Ρόλος του ATP
Της Δήμητρας Σπανού , Χημικού, Καθηγήτριας Β/θμιας Εκπ/σης
Γενικά στάδια της πέψης της τροφής
Αν το γνωρίζουμε ή αν διαβάσαμε το πρώτο μέρος του άρθρου με τον ίδιο, ότι τρώμε μετά από ξεκινώντας από το στόμα και μετά από ένα μακρύ ταξίδι στο πεπτικό μας σύστημα καταλήγει στο έντερό μας κι από κει περνά στο αίμα διασπασμένο σε πιο απλά μόρια: τα αμινοξέα, την γλυκόζη τα λιπαρά οξέα,τα κετονικά σώματα που κατευθύνονται όλα προς τα κύτταρα.
πριν προχωρήσουμε στο δεύτερο στάδιο του μεταβολισμού που γίνεται στο κυτταρόπλασμα να μια γενική εικόνα για τον μεταβολισμό:
1. Πετπικό σύστημα: μια πρώτη επεξεργασία
2. Απορρόφηση ουσιών στις εντερικές λάχνες και μετά περνόυν στο αίμα
3. Μεταφορά λιπιδίων στα τριχοειδη του κυκλοφορικού του οργανισμού που βρίσκονται οι κατάλληλες ουσίες για την περαιτέρω επεξεργασία τους
4. Μεταφορά παράλληλα λιπαρών οξέων, αμινοξέων, και γλυκόζης στο ήπαρ.
α. Αποθήκευση υδατανθράκων με μορφή γλυκογόνου (από γλυκόζη)
β. Επεξεργασία λιπαρών οξέων παραγωγή οξέων μικρότερης αλυσίδας , τριγλυκεριδίων και κετοσωμάτων
γ. Σύνθεση ορισμένων ενζύμων από αμινοξέα
5. Μεταφορά όλων των ελεύθερων αμινοξέων, γλυκόζης, λιπαρών οξέων και κετοσωμάτων στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων
Γλυκόζη Αμινοξύ Λιπαρά οξέα κετονοσώματα
6. Στο κυτταρόπλασμα αντλείται μια πρώτη δόση ενέργειας από τους υδατάνθρακες των τροφών, με την διαδικασία της γλυκόλυσης. Η γλύκόζης καταλήγει να δώσει πυροσταφυλικό οξύ και στην πορεία αυτή αντλείται ενέργεια από το μόριό της, η οποία αποθηκεύεται στο μόριο ATP (θα το δούμε) σαν χημική ενέργεια σύνδεσης των φωσφορικών ριζών που υπάρχουν εκεί.
Ενέργεια αντλέιται επίσης και από οξείδωση λιπαρών που έφτασαν κι αυτά εκεί προς παραγωγή ακετυλοπαραγωγων με αντίστοιχο τρόπο.
Επίσης κατασκευάζονται πρωτείνες με πρώτη ύλη τα αμινοξέα που έφτασαν εκεί τα οποία μεταφέρονται από το κυτταρόπλασμα στα ριβοσώματα για το πρώτο μέρος της κατασκευής πρωτεινών .
7. Τα πλεονάζοντα λιπαρά αποθηκεύονται στα λιποκύτταρα του λιπώδους ιστού με μορφή τριγλυκεριδίων
8. Η πραγματικά όμως δύσκολή δουλειά και η υψηλής βιοτεχνολογίας επεξεργασίες έρχονται στη συνέχεια, όταν μετά την επεξεργασία στο κυτταρόπλασμα περνουν οι ουσίες αυτές στα μιτοχόνδρια (αυτό όμως θα είναι το τρίτο μέρος της σειράς αυτής)
ΟΙ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΟΥ ΣΥΜΒΑΙΝΟΥΝ ΣΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ
ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟΥΣ ΦΩΣΦΩΡΙΚΟΥΣ ΔΕΣΜΟΥΣ ΤΟΥ ATP
Τελικός προροσμός των ουσιών στο αίμα είναι το κυτταρόπλασμα . Αρχίζει να υλοποιείται ο βασικός στόχος , της λήψης της τροφής: Να προσλάβει ο οργανισμός τις πρώτες ύλες για να κατασκευάσει στη συνέχεια ότι χρειάζεται, και δεύτερο να προσλάβει την χημική ενέργεια των τροφών για να συνεχίσει να ζει.
Πριν όμως υπάρχουν κάποιες απορίες.
α. Γιατί στην προσπάθεια να εξασφαλίσει ο οργανισμός αυτήν την ενέργεια γίνονται τόσα πολλά και πολύπλοκα βήματα, που τα κατευθύνουν και τα υποβοηθούν άλλες εξ ίσου πολύπλοκες ουσίες , όπως τα ένζυμα, και δεν δίνεται απευθείας η τελική ουσία , χωρίς αυτές αυτές οι πολυπλοκες χημικές αντιδράσεις;
β. Έπειτα, τι σημαίνει ότι οι ουσίες των τροφών (γλυκόζη, λιπαρά, αμινοξέα) κατευθύνονται μεσα από το αίμα στα κύτταρα και πως περνάν μέσα στο κυτταρόπλασμα διαμέσου της εξ ίσου πολύπλοκης και θαυμαστής κυτταρικής μεμβράνης;
Απαντήσεις είναι μάλλον απλές.
α. Ξέρουμε όμως ότι οι οργανισμοί , οι πιο πολλοί, ζουν μέσα σε πολύ στενά περιθώρια περιβαλλοντικών συνθηκών. Η θερμοκρασία μας ας πούμε ειναι μέσα σε όρια από 36 - 42 βαθμούς, η πίεση που μπορεί να δεχθεί σώμα μας σχετική, το PH από 7,2 έως 7,6. Πολύ απλά δεν ζούμε έξω από αυτά τα όρια. πρέπει λοιπόν η διαδικασία της άντλησης ενέργειας από τις τροφές μέσω των καύσεων (οξειδώσεων) πρπει να γίνει πολύ αργά για να μην ξεπεραστούν τα όρια αυτά.
β. Στο δεύτερο ερώτημα θα μας βοηθήσει λίγο η φυσικοχημεία, που λέει πως σε δυο υγρά διαλύματα που χωρίζονται από μεμβράνη και έχουν διαφορετικές συγκεντρώσεις σε συστατικά τους, υπάρχει κίνηση ουσιών δια μέσου των μεμβρανών ώστε να εξισωθούν εκατέρωθεν οι συγκεντρώσεις των συστατικών αυτών. Αυτός είναι ο βασικός λόγος που μπαινοβγαίνουν ουσίες από το αίμα στον μεσοκυττάριο χώρο κι από κει στα κύτταρα . Για να έρθει ίση συγκέντρωση στα διαχωριζόμενα μέρη.
ουσίες μπαίνουν και βγαίνουν δια μέσου της μεμβράνης του κυττάρου ανάλογα με την συγκέντρωση
Πολλές φορές για ουσίες που δεν είναι διαλυτές στο αίμα ώστε να κινηθούν εύκολα μεσα σε αυτό, υπάρχουν άλλες ουσίες μεταφορείς ,που προσδένονται χημικά και τις μεταφέρουν (όπως στα λιπίδια ). Στη μεμβράνη υπάρχουν επίσης μηχανισμοί που παίζουν ρόλο αντλίας άλλων ουσιών όπως επίσης και δίαυλοι ποι ανοίγουν και κλείνουν ανάλογα.
Η πρώτη και πιο σημαντική από τις διαδικασίες στο κυτταρόπλασμα (στην υγρή φάση του συγκεκριμένα) είναι η
Γλυκόλυση αερόβια και γλυκόλυση αναερόβια
Στο παρακάτω διάγραμμα μπορούμε να ρίξουμε μια ματιά. Είναι το διάγραμμα της αερόβιας γλυκόλυσης (υπάρχει και χωρίς ουγόνο- αναερόβια- μετά)
Αυτά που πρέπει να δούμε εδώ είναι τα εξής: Έχουμε από μια αλδόλη τη γλυκόζη, με 6 άτομα άνθρακα, δώδεκα άτομα υδρογόνου και έξη άτομα οξυγόνου , το τελικό προιόν που είναι δυο μόρια πυροσταφυλικού οξέος ,το καθένα με τρια άτομα άνθρακα, τέσσερα άτομα υδρογόνου και τρια άτομα οξυγόνου. Δηλαδή συνολικά λείπουν τέσσερα άτομα υδρογόνου, και αυτό σημαίνει οξείδωση. (οξείδωση μπορούμε να έχουμε με πολλούς τρόπους ο γνωστός είναι όταν μια ουσία προσλαμβάνει μέσα στο μόριό της οξυγόνο , άλλη είναι όταν χάνει άτομα υδρογόνου από το μόριό της κ.α.)
Που πήγαν αυτά τα υδρογόνα , που είναι και το κέρδος από την οξείδωση της γλυκόζης. Τα πήρε μια πολλη γνωστή και πολύ σημαντική ουσία στον κόσμο αυτό που θα την συναντήσουμε και στα παρακάτω.
Είναι το συνένζυμο NAD+ που ο συνήθης ρόλος του είναι να τραβά και να αποδίδει υδρογόνο και ηλεκτρόνια (υδρίδιο Η-) που αντλήσαμε από τις ουσίες -την γλυκόζη εδώ - Το κέρδος στις αντιδράσεις που βλέπουμε πάνω είναι με το μπλε χρωμα
Τα ηλεκτρόνια του υδρογόνου χρεισημοποιούνται για την δημιουργία ΑΤΡ ενώ τα άτομα υδρογόνου μαζύ με οξυγόνο σχηματίζουν 2 μόρια νερού
- Για να προχωρήσουμε αναφέρουμε το ADP/ATP που είναι το μόριο που αποταμιεύει χημική ενέργεια στους φωσφρικούς δεσμους του και την αποδίδει ανάλογα με τις ανάγκες του κυττάρου.
το δε συνένζυμο NAD+ /NADH αποτελείται από ένα μόριο ADP (διφωσφωρική αδενοσίνη) ένα μόριο ριβόζης και την βιταμίνη Β3 (νιασίνη)
- (Στο θέμα ATP θα αφιερώσουμε το τελευταίο μέρος του άρθρου αυτού)
- Το οξυγόνο που χρειάζεται το προμηθευόμαστε απότον αέρα που αναπνέουμε
και αυτό είναι
το πρώτο στάδιο της αερόβιας γλυκόλυσης.
Τα επόμενα θα συμβούν μέσα στο μιτοχόνδριο του κυττάρου και θα είναι ένα επόμενο θέμα.
Όταν όμως δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο η γλυκόλυση ακολουθεί ένα άλλο δρόμο.
η αναερόβια γλυκόλυση (αναπνοή)
Όταν δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο, ορισμένα κύτταρα όπως τα μυικά όταν κάνουν έντονη άσκηση, αναγκάζονται να κάνουν αναερόβια αναπνοή. Αυτή είναι συνηθισμένη σε πολλούς μικροοργανισμούς . Ακολουθεί τα ίδια βήματα μεχρι το πυροσταφυλικό με εξοικονόμηση ενέργειας ώστε να σχηματιστούν δυο μορίων ATP από ADP όπως ακριβώς στην αερόβια. Όμως στη συνέχεια εδώ παίρνουμε δυο μόρια γαλακτικού οξέος μετά το πυροσταφυλικό.
Απλά τα Η+ αντί να απορροφηθουν από το οξυγόνο και να δώσουν νερό (αερόβια)- ώστε το πυροσταφυλικό να συνεχίζει την πορείατου για πιο πέρα επεξεργασία μέσα στο μιτοχόνδριο με πολλαπλάσιο όφελος σε ενέργεια-, απορροφούναι τα υδρογόνα από το ίδιο το πυροσταφυλικό(που είναι ένα κετοξύ) και το αναγάγουν σε αλκοξύ (γαλακτικό)
Η χημική πορεία για την αναερόβια δίνεται κάτω. Αυτό όμως που πρέπει να θυμόμαστε είναι ότι η ενεργειακή απόδοση στην αναερόβια βέβαια είναι πολύ μικρότερη (παρά το ότι γίνεται με απότομη έκλυση ενέργειας , ζεσταινόμαστε και ιδρώνουμε) .
Βέβαια , η αναερόβια καύση, συμφέρει όσους θέλουν να επιταχύνουν τις καύσεις για να χάσουν βάρος , γιατι ο οργανισμός για να εξοικονομίσει την ενέργεια αναγκάζεται να ρίξει στην κυκλοφορία και στην διαδικασία και άλλα καύσιμα, κυρίως τα λίπη, (από τα αποθέματα του οργανισμού).
από πυροσταφυλικό (Pyruvate) παίρνουμε γαλακτικό οξύ (lactate) όταν δεν επαρκεί το οξυγόνο της αναπνοής (έντονη άσκηση)
Τι συμβαίνει με τις λιπαρές ουσίες
Τις λιπαρές ουσίες που στις τροφές τις συναντάμε συνήθως σαν εστέρες της γλυκερόλης αφού υποστούν μια πρώτη κατεργασία στο αίμα όπου σαν λιπαρά οξέα και γλυκερόλη , κινούνται με την βοήθεια πρωτεινών
α. προς τον λιπώδη ιστό για αποθήκευση
β. προς το ήπαρ . Παιρνούν μέσα στο κυτταρόπλασμα των ηπατικών κυττάρων σαν λιπαρά οξέα
ή σαν κετοσώματα η και σαν γλυκερόλη.
Στο κυτταρόπλασμα των ηπατικών κυττάρων η γλυκερόλη μετασχηματίζεται σε φωσφωρική διυδροξυκετόνη δηλαδή σε σε ένα μεταβολίτη που στη συνέχεια μπορεί να μπει σε μεγαλύτερους κύκλους μεταβολισμού .
Τα λιπαρά οξέα μεγάλης αλυσίδας , οξειδώνονται μέσω της β. οξείδωσης στο εσωτερικό των μιτοχονδρίων των ηπατικών κυττάρων παράγοντας μονάδες ακετυλοσυνένζυμου Α και μικρότερα λιπαρά οξέα κατα 2 άνθρακες. Αυτό ταυτόχρονα αποδίδει ενέργεια και ελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα
Τα λιπαρά αυτά οξέα που είναι μικρότερα από τα αρχικά, μπορούν στη συνέχεια να μεταφερθούν μέσω του αίματος σε όλα τα κύτταρα όπου μπορούν να διεισδύσουν τις κυτταρικές μεμβράνες όλων των κυττάρων ( λόγω μικρότερου μεγέθους) και εκεί συνεχίζεται ο μεταβολισμός τους.
Τα αμινοξέα
Τα αμινοξέα που προέρχονται από διάσπαση των πρωτεινών των τροφών μεταφέρονται μέσω του αίματος και συγκεντρώνονται στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου . Από εκεί μεταφέρονται αναλογως στα ριβοσώματα όπου κατασκευάζονται πρωτείνες.
Η περίσσεια των αμινοξέων δεν αποθηκεύεται ούτε απεκκρίνεται αλλά χρησιμοποιείται σαν μεταβολικό υλικό.
Αφού απομακρυνθεί από το μόριο η αμινομάδα, χρησιμοποιείται έιτε σαν πρώτη ύλη για βιοσύνθεση άλλων αμινιξέων, ή γλυκόζης ή σαν καύσιμη ύλη
Η απομάκρυνση του δοιξειδίου του άνθρακα των αμινοξέων μας δίνει μια σειρά από αμίνες τις ονομαζόμενες βιογενείς αμίνες που χρησιμοποιούνται από τον οργανισμό σαν πρόδρομες ουσίες ορμονών , δομικοί λίθοι συνενζύμων και άλλων βιολογικών ουσιών,ή ορισμένες από αυτές έχουν ισχυρή φαρμοκολογική δράση
Κάποια αμινοξέα με μεταβολές καταλήγουν στο πυροσταφυλικό οξύ (που είναι το τελικό προιόν και της γλυκόλυσης στο κυτταρόπλασμα) και ακολουθεί από εκεί και μετά το επόμενο στάδιο μεταβολισμού μέσα στα μιτοχόνδρια που θα δούμε στο τρίτο μέρος
ΓΙΑΤΙ ΤΟ ATP ΠΑΡΟΜΟΙΑΖΕΤΑΙ ΣΑΝ ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΚΑΥΣΙΜΟ ΤΟΥ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥ
Η Ενέργεια της τριφωσφωρικής αδενοσίνης για την οποία αναφερόμαστε δεν είναι τίποτε άλλο παρά η έντονη άπωση των αρνητικά φορτισμένων οξυγόνων
των φωσφωρικών ριζών που ακόμα κι ένας που δεν έχει δει χημικό τύπο μπορεί να το διακρίνει παρατηρώντας την πάνω εικόνα. Με μεγάλη ευχαρίστηση λοιπόν χάνει την μία αρχικά φωσφορική του ρίζα και ελευθερώνει την ηλεκτροχημική του ενέργεια για διάφορους στόχους.
Όμως τα μόρια που διασπωνται πρέπει να επανασχηματιστούν γιατί θα χρειαστεί να κανουν το ίδιο πολλές φορές κάθε μέρα τροφοδοτώντας τον οργανισμό με ενέργεια σε διάφορες περιπτώσεις. Η διαδικασία του επανασχηματισμού του, είναι ο κύρος στόχος του μεταβολισμού της τροφής μας.
Το συνένζυμο NAD+ που ο συνήθης ρόλος του είναι να τραβά και να αποδίδει υδρογόνο και ηλεκτρόνια (υδρίδιο Η-) που αντλήσαμε από -την γλυκόζη και άλλα μόρια - Το κέρδος στις αντιδράσεις που βλέπουμε πάνω είναι με το μπλε χρωμα
Στη συνέχεια από το NADH , ένα ιόν υδριδίου (Η-) αφαιρείται από αυτό και μετατρέπεται σε ένα πρωτόνιο και δύο ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας. Η αντίδραση αυτή καταλύεται από το πρώτο σύμπλοκο, την αφυδρογονάση του NADH, η οποία παραλαμβάνει τα ηλεκτρόνια.
Τα ηλεκτρόνια που "τραβήχθηκαν" από την γλυκόζη για να εκτονώσουν την ενέργειά τους θα ενεργοποιήσουν στη συνέχεια την ATP συνθετάση
Μοριακό μοντέλο του ΑΤΡ συνθάσης προσδιορίστηκε με κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ
η όχι ενεργειακά ευνοϊκή αντίδραση που θα προωθήσει μεταξύ ADP και φωσφορικής ομάδας για τη σύνθεση ΑΤΡ συνθέσει τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP) για να αποθηκεύσει την ενέργεια αυτή. ( το παιγνίδι ποιος θα πάρει τον παπά το ξέρετε;)
Μια εκτίμηση λέει ότι περισσότερα από 2 χ 10 26 μόρια ή> 160kg του ΑΤΡ σχηματίζονται στο ανθρώπινο σώμα καθημερινά! (και επαναδιασπώνται φυσικά στο κυτταρόπλασμα όπως είδαμε με την γλυκόλυση, αλλά κυρίως στις επόμενες διεργασίες του μεταβολισμού που γίνονται στα μιτοχόνδρια και θα το αναλύσουμε σε επόμενο άρθρο...)
Τελικός αποδέκτης των ηλεκτρονίων είναι το νερό.
2H+ + 2e- + ½ O2 → H2O
Γενικά για κάθε 4 Η+ που απελευθερώνονται από τις ουσίες συντίθεται ένα μόριο ATP.
Είδαμε μια πρώτη περίπτωση στο κυτταρόπλασμα. Στη γλυκόλυση όπως είπαμε παραπάνω....
(Τα ηλεκτρόνια που "τραβήχθηκαν" από την γλυκόζη θα ενεργοποιήσουν στη συνέχεια την ATP συνθετάση που θα συνθέσει δυο μόρια τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) για να αποθηκεύσει την ενέργεια που πήραμε. )
συνέχεια
Πηγές: Βιβλία ΟΕΔΒ, Διαδικτύου: Η χημική ένωση του μήνα, Βικιπαίδεια,www.chem.uoa.gr/courses/Undergraduate/Diatrofi_demopoulos/34.pdf Εικόνες